EAS-MES在食品制造企业系统建设的应用

      食品加工企业产品所含成份十分复杂，其有效成份的分析与定量也非常困难，相同的原材料因产地不同、采收季节不同、生产工艺参数控制水平不同而导致产品质量稳定性较差。食品原料及生产过程的质量安全控制是整个食品企业提供安全放心产品的关键所在，要保持产品质量的均一性、稳定性，除原材料的采收要稳定外，还必须保障生产过程控制的稳定性。目前，自动化信息技术（MES）已广泛应用于各类食品的生产过程中，从而减少人为操作过程中出现的差异性。实现生产过程的自动化、生产监控的可视化、过程控制优化以及管理系统与控制系统的集成技术等，保障产品质量。
        食品制造业现代化是将传统食品生产的优势、特色与现代科学技术相结合，以适应当代社会发展需求的过程。因此本文设计了符合食品质量安全要求的MES制造执行系统，该系统是一套涉及面广，并且业务非常复杂的系统，涉及的数据源很广，包括生产过程控制信息、生产过程质量信息、生产仓库信息生产维护信息、生产管理信息，因此它可实现多元异构系统的集成。
食品制造业MES 系统建设的需求
        由于MES 处于企业的计划执行层，从MRPII/ERP 层接受计划指令，并向MRPII/ERP 反馈信息。因此，MES 需要与MRPII/ERP 建立紧密的信息集成。
        在生产计划方式方面，企业根据市场的需求进行组织生产。但一般情况下，特别是对市场需求量大的产品，是“以产促销”——通过大批量生产，降低成本，提高竞争力。因此，企业生产计划的依据主要是市场预测。
        在成本核算方式方面，计算产品成本一般采用平行结转法，在其成本组成中，生产成本中占比例最大的是原材料。通常，原材料占产品成本的较大，人工成本所占比例较小，还有其他为分摊成本。
        在作业计划调度方面，企业的生产作业计划调度，需要根据市场情况、设备能力、均衡生产等方面进行调度。这种调度，是基于有限能力的调度并通过考虑生产中的交错、重叠和并行操作来准确地计算工序的开工时间、完工时间、准备时间、排队时间以及移动时间。通过良好的作业顺序，可以明显地提高生产效率。
        在数据采集方面，由于单机设备自动化程度较高，设备控制级大量采用DCS、PLC。在检测驱动方面，各种智能仪表、数字传感器已普遍应用；过程控制则广泛采用以小型机为主的自动控制系统。传统的“计、电、仪”分工界限已不再明显，计算机技术的应用已深入各个领域。这些自动化设备，能自动准确记录各种生产现场信息。对于MES 而言，重点在于系统构建的时候与这些自动化设备做好数据接口。
        在作业指令的下达方面，食品制造行业的MES中，通过下达作业指令以及PDI（Panel Data Interface，面板数据接口）数据，将作业指令转化为各个机组及设备的操作指令和各种基础自动化设备的控制参数（例如PID 控制参数——Proportional Integral Derivative，比例积分微分控制），并下达给相应的PCS 系统（Production Control System，生产控制系统）。反冲处理方面，生产的完工上报，广泛采用反冲处理。一般在工艺流程的最后设置完工上报点，而对前面工序流程实行反冲处理，如人工工时反冲、设备工时反冲、物料反冲，从而对在制品和成本进行跟踪。

        在设备管理方面，在流水线生产过程中，生产线上的设备维护特别重要，每台设备都是关键设备，不能发生故障，一台设备的故障会导致整个工艺流程的终止。

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        在库房物料管理方面，由于食品的特殊性，一般需对半成品设有相应的库房，各工序根据生产作业计划以及配套清单分别进行领料。
        在质量管理方面，质量检验和管理相当重要，根据原材料性质采用近红外技术,对生产批号产品进行各工序上的在线检测,并通过MES系统反馈到控制平台,从而确保产品质量的稳定性和均一性。
        当然，在每个企业的情况不同，MES 的应用还存在一些差别，仍然需要根据各自特点进行综合分析。
精诚软件食品制造企业MES 系统设计
        食品质量安全监督管理有力的促进了食品加工企业向现代化、规范化、标准化发展。针对食品制造企业MES 系统设计的需求，我们设计了符合食品行业质量安全标准的生产过程的MES 控制系统，如图1 所示。通过建立公司生产实时数据控制网，收集各个装置及各个部门的情况，利用集成的各种资料，进行生产的协调、统计、分析、优化，实现优化生产和优化操作的目标。建立符合食品企业安全生产管理规范的先进MES 系统，达到稳定生产、提高产品产量和质量、降低消耗、降低成本、获取最大的经济效益。

图1 食品生产过程符合标准的EAS-MES 系统总体架构

        （1）建立食品生产过程实时数据库与过程监控平台
        通过利用实时数据库软件建立食品生产过程的实时数据库系统与过程监控平台，实时数据库是为流程工业企业提供了统一而完整的实时数据采集、存储、监视和Web 浏览功能，提供了API、OPC 等多种数据服务方式，在生产控制层（DCS/PLC 等)与生产、经营管理层之间建立了实时的数据连接，图2 所示的是实时数据库系统的实时数据层次结构。

图2 实时数据库的实时数据层次结构

        （2）食品制造企业生产全自动化集成。通过对食品生产全过程中的所有设备、生产线、物料输送系统的控制系统进行深入开发，建立符合食品制造企业生产全集成自动化的方法。
        （3）各控制系统接口连接。需设计一种能使各子控制系统与总控制系统实现互相通信的接口，实现系统间的互联。
        （4）大多食品生产企业上下游产品的生产分布在不同区域，而且不同时期采用了不同的控制系统，我们将研究如何实现各个区域的生产控制系统的互联。此外，生产现场环境恶劣，因此对控制系统和通信的可靠性提出了较高的要求。需解决系统的网络化和通信的可靠性等关键技术。
        （5）构建食品制造企业生产全集成自动化模式。针对食品制造企业生产中的各控制系统，构建合适的生产全集成自动化模式。
        （6）系统集成：由于各车间的工作任务都不一样，其采用的控制系统和模式也就不一样。而要实现企业的全集成自动化，就必须把各个子系统集成起来。需解决不同控制系统的集成关键技术。

图3 食品制造企业生产全集成自动化模型

        （7）研究基于多智能体的食品制造企业生产管理系统综合集成框架应用模型。研究支持开放标准（Agent，RosettaNet，SOA，Webservices，SOAP，WSDL 等）的食品制造企业企业级服务总线，从而实现系统之间信息交换和业务协同。生产管理系统通过信息集成技术，把食品企业生产运作中涉及的管理、生产子系统的功能单元连接为一个整体，在动态变化的原料和产品市场等条件下，通过功能单元建立信息集成与任务集成，实现企业生产运作、物流整体优化。
总结
        解决食品制造企业生产工艺、自动化设备和信息化技术水平偏低的问题是一个系统工程。本文详细分析了食品制造企业MES 系统建设的需求，并提出了食品制造企业MES 系统的详细设计方案，基于食品生产过程中原料/中间产品/产品质量在线检测、生产线用自动化物流装备以及自动化生产装备等硬件环境研究获得突破等，在生产管理软件平台方面，通过配方优化、物流跟踪、绩效评估、生产可视化及辅助决策等业务功能的研究与开发，实现对生产过程中海量信息进行集成、监控、统计、分析与优化的综合应用。硬件环境是基础，软件是硬件传感信息的上层应用，两者之间是相辅相成的关系。
        同时，精诚软件公司在实现食品制造企业生产设备、生产线自动化的基础上，研究企业生产全集成自动化方法与模式、控制系统接口技术、网络建立及可靠性关键技术和系统集成关键技术，构建食品制造企业生产全集成自动化。提出的基于多智能体的食品企业生产管理系统的集成框架及其各单元的组成结构模型对食品企业生产运作系统具有很好的灵活性、稳定性和可扩充性，实现了系统的综合集成和整体优化。

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